基于BIM的预制装配钢结构住宅的设计流程研究

蒋玲玲

1. 上海市机械施工集团有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑应用机器人工程技术研究中心 上海 200072

1 工程概况

上海市浦东新区某高层住宅项目为普通商品住宅，其中的4号楼采用了预制装配钢结构体系，其他楼均为预制装配混凝土结构。该4号楼同与该项目内其他高层住宅相同，均为地下2层、地上14层的形式。作为二类高层住宅项目，其标准层外平面尺寸为43.94 m×12.35 m，层高3 m，每层共4户。由于存在妥协于装配式混凝土结构的户型设计，造成了该钢结构住宅在平面上存在较多的凹凸构造，在轴线上存在错位，使钢结构立柱的布置难度明显增加（图1）。

图1 项目效果图

2 设计流程

我们确定装配式钢结构住宅的正向设计的大方向：模块设计→户型设计→墙体设计→墙体拆分→构件装配→统计工作量→输出施工图，并结合项目实际情况进行修正与调整[1-2]。

2.1 模块与户型设计

常见的装配式住宅，采用的是剪力墙结构。在这种结构体系的基础上，通常由基本模块、拼接模块、走道模块、核心筒模块等四大模块组成。建筑面积的调整可随BIM的应用联动更新调整。钢结构住宅最重要的是其核心筒模块，本项目采用了钢框架中心支撑结构形式。位于公共区域的钢框架结构，承担了传统核心筒“交通和疏散”的建筑功能，在这一区域，主要由疏散楼梯间、电梯、电梯前室、走道等组成。

模块设计包括核心筒设计和模块优化。核心筒设计内容包括方案标高的设定，绘制墙体的方案，用“族”标注房间，绘制剪刀梯（疏散通道）。模块优化内容包括运用模块族，通过设计与组合构思楼层平面，结合明细表获得大致的建筑面积与基本指标情况。受限于项目总体要求，核心筒和模型的设计与项目住宅群的总体风格一致，但通过基于BIM的明细表比对，得到了更优的结构稳定性及得房率指标。

户型设计是对模块的拼接形式多样化的需求落地。需要同时满足人们的生活需求，同时减少建筑物的构件类型。户型设计内容首先是家具族的设计，这样可以直接看到房间功能的合理性，并为其他专业的设计提供依据。户型推敲则是在设计方案最优的情况下，进一步调整，选取建筑构件类型最少的户型，去降低建筑成本。利用Revit中“阶段”的功能，将构件分多阶段统计与演示。根据模块的组合设计户型，设置门窗，插入家具、图纸名称、房间名称等的标注，布置电器开关和插座。

2.2 构件族的设计

构件族的设计，就是在软件实操过程中，设计金属件（如预埋件）、预制装配构件、整体卫浴构件等。

金属件在装配式建筑中的作用包括连接、加固、支撑，是重要的受力件。如金属预埋件，在工厂中就预埋在预制混凝土构件中。它的设计有钢片、螺栓螺母、销栓、吊钩吊环、拉钩拉环以及灌浆套筒等。在装配式钢结构住宅中，这个金属件可以是与墙板的连接件，也可以是吊装施工所需要的挂耳。

预制装配构件族的设计，需要正确表达三维尺寸，也要包含相应的信息量。常见的是预制混凝土结构的设计内容，通常包含叠合梁、剪力墙外墙族、蒸压轻质混凝土隔墙族，以及预埋的86型暗盒和电气面板等。而本项目的预制装配构件族的设计，包括钢筋混凝土叠合楼板族、预制夹芯保温板的外墙族、轻钢龙骨灌浆的分户内墙族，以及蒸压轻质混凝土分室内墙族。

2.3 装配设计

装配方案的深化：从模块到户型方案的设计，转向装配式建筑设计的深化过程。如墙体的划分，设计内容包括墙的类型属性划分，现浇部分的剪力墙与填充墙类别的划分，预制过渡部分预制墙与现浇墙类别的划分。

现浇部分的设计：必须在装配式深化设计前完成。在这个阶段需要确定轴网与标号、现浇墙体的设计等，设计内容包括绘制施工放线使用的定位轴网。一般结构专业的承重梁柱需绘制轴网，建筑专业的填充墙或者现浇墙不一定需要绘制。

主体部分的装配：将钢结构的梁柱、钢混叠合楼板等族库依次载入项目中，在对应位置进行设计，生成装配式建筑的主体部分。设计内容包括梁、柱、叠合楼板的载入、检查、拼接、标记，预制墙体的载入与标记。此外，需对受力钢结构部分的深化设计，包括节点的连接形式，以及机电管线的梁上开孔提前预留并加固。

楼梯设计：包括设计梯梁、梯板、梯段等，生成楼梯平台板，进而完成预制楼梯构件。

建筑外立面：设计外立面，1层常见架空层，采用石材外墙，2层及以上为住户层，而本项目内钢结构住宅的外立面需与其他高层住宅保持一致，采用预制夹芯保温板的设计，外墙板吊点和节点等设计。

2.4 明细表的统计与计算

利用明细表统计预制构件数量，提取材质信息统计材料。由于BIM软件的应用，建模过程中采用“常规模型”制作的墙板、采用“楼板”制作的叠合板，可以直接得到数量。通过公式计算还可以得到吊装时构件的重力。材料的统计主要是混凝土材料的统计，在建模过程，即建族的过程中，要注意区分混凝土的材质。

装配式建筑核心参数共2个，预制率和装配率，可在软件中实现快速估算。

根据GB/T 51129—2015《工业化建筑评价标准》规定，预制率的计算可以简单理解为预制装配构件的混凝土用量占总混凝土用量的百分比。装配率的定义没有明确的国家标准，主要是判断预制构件和成品构件在总构件中的比重。在本项目内其他混凝土剪力墙装配式住宅的预制率为40%，而本结构住宅因主体结构全预制，总预制率达到了75%。

2.5 生成施工图

施工图首先包括装配图，自动生成，表达预制构件连接和装配关系的图纸，设计内容包括平面大样图，即设计比例大于1∶100的图纸，又称详图。预制装配的图纸主要包括预埋件大样图、板大样图。

施工图还包括构件拆分图，可自动生成，即构件的详细信息表。

装配式混凝土建筑为了抗震需要，墙体和梁等最后会形成整体。但是在施工时，有预制、现浇和后浇的区别。通过拆分图，表达其信息。在混凝土的预制装配剪力墙体系中，没有立柱，故主要拆分剪力墙外墙、剪力墙内墙、内隔墙。在建模时利用“公制常规模型”生成墙体，可以使用“图例”功能，生成完整的墙体拆分图，并加入墙体明细表。而在钢结构预制装配体系中，Tekla模型的建立和节点的设计本身为独立的，不存在如混凝土剪力墙需要二次拆分的情况，因而设计和出图效率大为提升。

3 针对项目施工难点的深化设计

本住宅楼的支撑体系为钢框架结构，主结构钢梁、钢柱连接节点均为刚接，局部次梁连接节点为铰接，基于BIM计算，钢结构总质量约800 t，钢材材质为Q345B，构件总计约2 025根，其中钢梁1 540根，钢柱分段后399根，斜撑86根（图2）。

图2 钢框架支撑结构体系

由于住宅主体构件截面较小，且规格较多，节点区域构造复杂，焊接变形方面很难把控。因此，基于BIM模型建立生产数据库，通过采用自动化装配焊接设备，针对小截面、复杂节点完成自动组装、拼接等工作，提高加工精度及工效。住宅建筑设计不同于商业建筑的大空间，钢结构住宅设计必须考虑套内户型问题，轴线存在错位情况，但钢柱不可选用大截面尺寸，以免影响室内空间。因此，基于BIM模型，通过设置宽扁柱解决轴线错位问题，实现建筑开间的布局，同时避免对套内空间产生过多影响（图3）。此外，本项目的外墙板种类规格较多，质量较重，存在较多异形构件，部分为偏心异形构件，安装难度较大、安装精度要求高。因此，通过BIM模拟，确定构件重心位置，以及构件之间的搭接关系，以确定外墙板安装顺序。

图3 住宅节点区域构造与宽扁柱设计

由于特殊的钢结构深化设计的要求，进而对钢结构的加工提出了较高的要求。钢构件截面小、钢板厚，细长型的焊缝均为全熔透，焊接变形的控制极高。在深化设计完成后，基于钢构件工厂的数字联控技术，将BIM模型联动钢结构数字生产线，包括箱形柱、梁自动化装、焊接设备。通过相贯线切割设备的双头切割系统，自动实现并保证了钢构件的两端面相贯线形位公差的精度和长度在尺寸上的偏差，符合设计要求；通过双工位端面设备的伺服控制系统，自动实现对钢箱形柱两端平行度及长度尺寸的精度控制，保证构件主要连接面贴合率98%以上；通过利用焊接机器人，为梁-柱节点进行全位置焊接（图4）。节点通过各种形式的定位工装夹具进行定位装配，并在变位器的作用下，将焊缝变位到可焊位置，同时变位器和机器人相互协调连动，通过远程编程指导机器人完成各焊缝的全位置自动焊接。

图4 钢结构数字化切割与焊接机器人

钢构件加工运至现场将直接进行吊装作业，因此在深化设计阶段需提前根据吊装手段预留施工吊耳，并模拟施工工况。钢柱的吊装采用4根高强钢丝绳配合卸甲使用，起吊时采用一端四点吊装的方式，吊耳使用钢柱上端连接耳板，缓慢回直，构件吊装至指定位置后，与上节钢柱预留端头使用临时螺栓连接耳板固定，待完成临时固定后进行钢柱校正焊接（图5）。钢梁吊装选用钢柱吊装同规格吊具，钢梁起吊前先在钢梁两端焊缝位置处安装吊篮一同起吊，吊装钢梁采用两点吊的形式，吊耳选用钢梁上翼缘靠码板。钢梁吊装至指定位置后，连接节点为刚接形式的首先使用临时螺栓进行固定，待钢梁矫正完成后，电焊工进行钢梁焊接；连接节点为铰接形式的钢梁，待钢梁到达指定位置后，使用高强螺栓进行连接。

图5 钢柱钢梁的吊耳设置与螺栓连接位置BIM模拟示意

混凝土预制构件同样需要采用吊装的方式，其中叠合楼板采用四点吊装的方式，吊耳直接选用楼板自身桁架钢筋，叠合楼板安装方式为直接搁置在钢梁上翼缘，与钢梁上翼缘搭接距离为20 mm，施工过程中，通过在底部设置临时支撑保证其结构稳定性。预制楼梯分段为一梯段一节，即1层楼梯分为2段。同样的四点吊装方式，但是因楼梯为异形构件，因此在吊装时需使用手拉葫芦调节构件重心，保证构件在吊装过程中上下两块休息平台处于水平位置（图6）。预制楼梯安装方式为两端直接搁置在钢梁上，其中预制楼梯与钢梁连接位置处有预制灌浆孔，需将钢梁上栓钉套入灌浆孔内，待楼梯安装到位后进行二次灌浆。

图6 预制混凝土楼梯安装BIM模拟示意

在机电安装与装饰方面，采用与结构协同的一体化设计方式，即机电平面管线排布，在钢结构设计及装修方案设计阶段进行提资，平面楼层内管线根据提资要求，采用穿梁、绕梁形式。层间管线通过楼板预留洞口沿梁柱边缘排布，后经装饰面层包裹（图7）。在装饰设计过程中，针对钢结构住宅存在凸梁、凸柱的问题，采用木饰面、背景墙、窗帘盒等方式，在保证效果的基础上进行一定调整。

图7 机电与装饰的一体化设计

4 结语

1）在设计过程中，需要根据钢结构住宅需求不断优化，如传统钢结构搭配压型钢板组合楼板，而本项目通过采用预制的钢混叠合楼板，通过钢梁上的栓钉实现更可靠的连接。此外，随着楼层的上升，钢柱截面也可以在安全稳定的情况下逐步缩小截面，以降低钢结构的自重和用钢量大的高额造价。

2）应不断关注预制构件的制作，尽量减少构件种类，提高构件的重复利用率，降低建筑成本。

3）要考虑降低施工难度，如本项目为了提高住宅卫生间的层高占用率及解决排水噪声的问题，使用了同层排水，因而导致了结构降板，增大了楼板的吊装难度。

4）应采用更具有标志性的尺寸模数，以减少构件数量，同时积极采用国家标准中的图集构件，考虑钢构件和其他构件在生产制造环节易发生的问题，以降低造价、便于施工。

5）在设计过程中，要考虑现场施工的作业工况，如吊装作业中吊耳和钢丝绳等受力构件，结构稳定用的临时支撑等的布置位置与通用性，将有助于提高施工现场的效率和安全性。